الدارة الكهربائية البسيطة وقياس التيار والجهد
يقيس الطالب شدة التيار بالأميتر وفرق الجهد بالفولتميتر في مواقع مختلفة من دارة بسيطة، ويستنتج شروط سريان التيار.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: أدوات بناء الدارة الكهربائية: التيار المستمر — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (١): تركيب دارة كهربائية بسيطة — الجزء الأول، ص ٥٥
- نشاط (٢): قياس شدة التيار وفرق الجهد — الجزء الأول، ص ٥٨
خطوات التجربة
افتح شاشة «مقدمة»، واسحب إلى منطقة العمل «بطارية» و«مصباح كهربائي» و«مفتاح كهربائي» وعدة قطع من «سلك كهربائي».
صِل الأجزاء بترتيبات مختلفة: مصباح موصول بطرف واحد، ثم دارة فيها فجوة، ثم دارة مغلقة. سجّل في جدول الحالات التي يضيء فيها المصباح والتي لا يضيء.
في الدارة المغلقة اضغط على المفتاح لفتحه ثم لإغلاقه، وفعّل «أظهِر التيّار» لترى حركة الشحنات، ولاحظ متى تتوقف ومتى تسري.
انقل جدول الكتاب (موقع الأميتر: أ، ب، جـ، د). خذ «أميتر» من صندوق الأدوات وضع رأسه على السلك قبل المصباح، ثم بعده، ثم عند طرفي البطارية، وسجّل القراءة والمفتاح مفتوح ثم مغلق.
ابنِ دارة جديدة فيها بطارية ومصباحان متماثلان موصولان على التوالي ومفتاح، ثم أغلق المفتاح.
خذ «فولتميتر» وضع طرفيه على طرفي البطارية، ثم على طرفي المصباح الأول، ثم الثاني، ثم على طرفي المصباحين معًا. سجّل القراءات الأربع.
اضغط على أحد المصباحين وغيّر مقاومته ليصير مصباحًا مختلفًا، ثم قِس فرق الجهد بين طرفيه وقارن إضاءته بالمصباح الآخر.
الفكرة العلمية
لا يسري التيار الكهربائي إلا في مسار مغلق يصل قطبي البطارية؛ فإذا انقطع المسار في أي موضع، بفجوة أو بمفتاح مفتوح، توقف التيار في الدارة كلها. وشدة التيار (ت) هي كمية الشحنة التي تمر في مقطع الموصل كل ثانية: ت = Δش ÷ Δز، وتُقاس بالأمبير (A) بجهاز الأميتر الذي يوصل على التوالي. وفي المسار الواحد تكون شدة التيار متساوية في كل النقاط، قبل المصباح وبعده، لأن الشحنات لا تُستهلك. أما فرق الجهد فيُقاس بالفولت (V) بالفولتميتر الذي يوصل على التوازي مع العنصر. والبطارية تزوّد الدارة بالطاقة، والمصابيح تستهلكها، لذلك يكون مجموع فروق الجهد على المصابيح الموصولة على التوالي مساويًا لفرق جهد البطارية. وفي المحاكاة يُقرأ التيار بوضع رأس الأميتر على السلك دون فتح الدارة، وهذا أسهل من المختبر، لكنه يعطي القراءة نفسها لأميتر موصول على التوالي.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
في دارة فيها بطارية ومصباح واحد، قِست شدة التيار قبل المصباح وبعده. ماذا تجد؟
- التيار بعد المصباح أقل لأن المصباح استهلك جزءًا منه
- التيار بعد المصباح صفر
- التيار متساوٍ قبل المصباح وبعده
- التيار بعد المصباح أكبر
اعرض الإجابة
ج) التيار متساوٍ قبل المصباح وبعده
في المسار الواحد تمر الشحنات نفسها في كل نقطة، فلا تنقص بعد المصباح. يظن كثير من الطلبة أن المصباح «يستهلك التيار»، والحقيقة أنه يستهلك الطاقة التي تحملها الشحنات، وهذا يظهر في فرق الجهد لا في شدة التيار.
أردت قياس فرق الجهد بين طرفي مصباح في الدارة. كيف تصل الفولتميتر؟
- على التوازي، بوضع طرفيه على طرفي المصباح
- على التوالي، بقطع السلك ووضعه في مكان القطع
- بطرف واحد على المصباح فقط
- على طرفي البطارية دائمًا مهما كان العنصر المطلوب
اعرض الإجابة
أ) على التوازي، بوضع طرفيه على طرفي المصباح
الفولتميتر يقيس الفرق بين نقطتين، فيوصل على التوازي بين طرفي العنصر نفسه. والخلط شائع مع الأميتر الذي يوصل على التوالي. وقياس البطارية يعطي جهدها هي، لا جهد المصباح.
مصباحان متماثلان على التوالي مع بطارية ٩ V. كم يقرأ الفولتميتر بين طرفي كل مصباح؟
- ٩ V لكل مصباح
- ١٨ V لكل مصباح
- صفرًا لأن التيار يمر فيهما
- ٤٫٥ V لكل مصباح
اعرض الإجابة
د) ٤٫٥ V لكل مصباح
في التوالي يتوزع فرق جهد البطارية على المصباحين، ومجموع جهديهما ٩ V، ولأنهما متماثلان يأخذ كل منهما النصف: ٤٫٥ V. ومن اختار ٩ V خلط بين التوالي والتوازي، فالجهد الكامل على كل فرع يكون في التوازي.
لماذا يقرأ الأميتر صفرًا عند فتح المفتاح، مع أن البطارية ما زالت موصولة بالدارة؟ وما دور المفتاح إذن؟
اعرض الإجابة
فتح المفتاح يقطع المسار، والتيار لا يسري إلا في مسار مغلق يصل قطبي البطارية. فالبطارية وحدها لا تكفي، بل يلزم مسار مغلق. لذلك يتحكم المفتاح بالدارة: يغلقها فيسري التيار، ويفتحها فيتوقف.
في دارة توالي فيها مصباحان وبطارية ٩ V، قرأ الفولتميتر ٦ V بين طرفي المصباح الأول. كم تتوقع قراءته بين طرفي المصباح الثاني؟ ولماذا؟
اعرض الإجابة
٣ V، لأن مجموع فروق الجهد على المصباحين الموصولين على التوالي يساوي فرق جهد البطارية: ٦ + ٣ = ٩ V. واختلاف الجهدين يعني أن المصباحين غير متماثلين، فيأخذ الأكبر مقاومةً الجهدَ الأكبر.